激光器件iv1w

1、第四讲第四讲 半导体激光器半导体激光器第一章第一章 半导体能带论基础半导体能带论基础第二章第二章 半导体激光器件半导体激光器件第三章第三章 典型的半导体激光器典型的半导体激光器第四章第四章 半导体激光器的应用半导体激光器的应用第一章第一章 半导体能带论基础半导体能带论基础 何谓半导体何谓半导体物体分类物体分类导体导体 导电率为导电率为10105 5s.cms.cm-1-1，量级，如金属量级，如金属绝缘体绝缘体 导电率为导电率为1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量级，量级，如：橡胶、云母、塑料等。如：橡胶、云母、塑料等。 导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能

2、力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。如：硅、锗、砷化镓等。半导体半导体 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性温度特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光照特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件导体导体 绝缘体绝缘体 半导体半导体能带隙的差异能带隙的差异无无很大。很大。4ev中等中等sigegaasgap一、半导体基础知识1、电子的共有化运动和：金刚石结构，两个面心结构沿体对角线方向移动四分之

3、一距离。和：闪锌矿结构，亦为两个面心结构沿体对角线方向移动四分之一距离，区别为两个面心结构为不同原子构成。原子之间通过共用电子对间的库仑作用结合，共用电子对产生共有化运动。13gaasgas 4pass 4p22以为例，原子序数分别为：31 4 33 4：在半导体中，最外层电子不仅会受到自己所属原子核的作用，同时还会受到相邻原子的作用，电子运动的轨道发生重叠，电子可以从一个原子转移到相邻原子，再通过轨道重叠，电子可以转移到更远的原子上去，最终电子在整个晶体内运动。此时，最外层电子已不再属于某一个原子，而是为整个晶体所共有，电子的这种运动称为共有共有化运动化运动。nn2、能级结构量子力学证明：在

4、晶体的形成过程中，当 个原子相互靠近时，由于相邻原子的扰动，原子中的能级分裂为 个新能级。由于原子的个数非常多，新能级数目很大，相邻能级的能量差很小，近似为连续的能级，即构成了能带。能带与能带之间不允许电子存在，称为禁带。由价电子能级（基态能级）分裂的能带称为价带；由激发态能级分裂得到的能带称为导带。价带与导带之间为禁带，之间的宽度称为禁带宽度。gaasgesi被电子填满的能带满带无电子填充的能带空带在温度较低时，、等半导体材料的价带为满带，导带为空带。在温度较高时，电子由于热运动可以跃迁到导带上。同时，在价带上留下一个空位，称为空穴。主要半导体材料主要半导体材料 iv族半导体材料族半导体材料

5、 -硅硅si，锗，锗ge iii-v族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -gaas, inp，gaalas，ingaasp ii-vi族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -gdte, znte, hggdte, znsete本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%，“九个九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体si+142 8 4ge+322 8 18 4+4 本征半导体的原子结构和共价键本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+

6、4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为称为束缚电子束缚电子价带价带导带导带挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为称为自由电子自由电子价带中留下的空位价带中留下的空位称为称为空穴空穴禁带禁带e eg g外电场外电场e e自由电子定向移动自由电子定向移动形成形成电子流电子流束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成定向移动形成空穴流空穴流1. 1. 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2. 2. 在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流

7、自由电子作定向运动形成的；自由电子作定向运动形成的；与外电场方向相反；与外电场方向相反；自由电子始终在导带内运动。自由电子始终在导带内运动。空穴流空穴流价电子递补空穴形成的；价电子递补空穴形成的；与外电场方向相同；与外电场方向相同；始终在价带内运动。始终在价带内运动。由此我们可以看出：由此我们可以看出：价带价带导带导带禁带禁带eg 能带结构能带结构自由电子自由电子价电子与空穴价电子与空穴费米能级费米能级ef( )111( )111ffeee eeektktfefeee 费米能级性质：（1）费米能级为假想能级，实际上不存在，只是为了反映电子的填充水平。（2）电子与空穴占有某一能级的几率之和为1。

8、若电子占有几率为，则空穴占有的几率为：（3）一个热平衡系统只有一个费米能级。费米能级费米能级ef当当t=0k时，电子占据时，电子占据e ef的状态的几率为零。的状态的几率为零。/ )exp(11)(kteeeff当当t0k时，电子占据时，电子占据ef的状态的的状态的几率为几率为1/2。ef本征半导体本征半导体空穴空穴电子电子导带中的电子绝大多数导带中的电子绝大多数位于导带的底部；位于导带的底部；价带中的空穴绝大部分价带中的空穴绝大部分位于价带的顶部。位于价带的顶部。当当t=0k时，本征半导体的费米能级在禁带的中央；时，本征半导体的费米能级在禁带的中央；温度升高，费米能级略偏向导带一方。温度升高

9、，费米能级略偏向导带一方。 温度对费米能级的影响温度对费米能级的影响)*ln(432epvcfmmkteeeec、e 导带低和价带顶的能级导带低和价带顶的能级mp、me导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量能带中电子和空穴的分布能带中电子和空穴的分布杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺杂后半导体的导电率大为提高掺入的三价元素如掺入的三价元素如b、al、in等，等，形成形成p型半导体，也称空穴型半导体型半导体，也称空穴型半导体掺入的五价元素如掺入的五价元素如p、se等，等，形成形成n型半导体，也称电子型半

10、导体型半导体，也称电子型半导体1. n型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5价带价带导带导带+施主施主能级能级自由电子是多子自由电子是多子空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为子，因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子在本征半导体中掺入的在本征半导体中掺入的五价元素如五价元素如p掺杂半导体掺杂半导体- n型半导体型半导体(as-si)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3价带价带导带导带-受主受主

11、能级能级自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘获因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为电子，使杂质原子成为负负离子。离子。三价杂质三价杂质 因而也因而也称为称为受主杂质受主杂质。2. p型半导体型半导体在本征半导体中掺入的在本征半导体中掺入的三价元素如三价元素如b掺杂半导体掺杂半导体- p型半导体型半导体(b-si)半导体的能带结构半导体的能带结构)*ln(432epvcfmmkteee 本征半导体本征半导体 n型半导体型半导体)ln(22cddcnfnnkteee p型半导体型半导体)ln(22vaavpfnn

12、kteee电子电子空穴空穴导带导带价带导带价带价带施主受主本征半导体本征半导体p型半导体型半导体n型半导体型半导体半导体的能带结构半导体的能带结构efefef能带中的载流子能带中的载流子 导带底的电子态密度：导带底的电子态密度：21)()(ceeee 价带顶的空穴态密度：价带顶的空穴态密度：21)()(eeevp由量子力学由量子力学理论而来理论而来能带中的载流子能带中的载流子 导带中电子浓度：导带中电子浓度： 价带中的空穴浓度：价带中的空穴浓度：ndeeefe)()(ce)exp(kteefcpdeeefp)()(1 ve)exp(kteevf直接带隙与间接带隙半导体直接带隙与间接带隙半导体能

13、带能带-波矢图波矢图直接带隙直接带隙间接带隙间接带隙直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！具有更高的跃迁几率（近具有更高的跃迁几率（近100%100%）！）！间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！跃迁选择定跃迁选择定则则: 跃迁的跃迁的始始末态末态应具有应具有相同的波矢相同的波矢主要半导体材料主要半导体材料 iv族半导体材料族半导体材料 -硅硅si，锗，锗ge iii-v族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -gaas, inp，gaalas，ingaasp ii-vi族化合物半导体材料族化合物半导

14、体材料 -gdte, znte, hggdte, znsete-用于集成电路、光电检测用于集成电路、光电检测-用于集成电路、发光器件、光电检测用于集成电路、发光器件、光电检测-用于可见光和远红外光电子器件用于可见光和远红外光电子器件间接带隙间接带隙导带导带e2价带价带e1半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用自发辐射自发辐射h =e2-e1eg光子密度光子密度 ( )随时间的变化率随时间的变化率:)(1)(|)(12efeaftspon 爱因斯坦系数，爱因斯坦系数， 为能态电子的平均寿命为能态电子的平均寿命/ 1a半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用导带导带e2价带价带e

15、1h 光子密度光子密度 ( )随时间的变化率随时间的变化率:受激吸收受激吸收)(1)()(|)(2112efefbtabs 33321128 hncbbb 导带导带e2价带价带e1半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用受激辐射受激辐射h 光子密度光子密度 ( )随时间的变化率随时间的变化率:h h )(1)()(|)(1221efefbtsti 半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用导带导带价带价带导带导带价带价带导带导带价带价带自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射非平衡载流子与准费米能级非平衡载流子与准费米能级电流注入，电流注入， 非平衡载流子的产生：非平衡载

16、流子的产生：外场激发外场激发后果：半导体的后果：半导体的总平衡总平衡被打破。但导带和价带会很快形成被打破。但导带和价带会很快形成局部平衡局部平衡而形成自身的费米能级。而形成自身的费米能级。 准费米能级准费米能级fcefe导带：导带：fvefe价带：价带：efefefvefcefcefcefvefvef非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子i型（本征）半导体型（本征）半导体n型半导体型半导体p型半导体型半导体半导体中的光增益半导体中的光增益 产生光增益的条件产生光增益的条件受激辐射速率受激辐射速率 受激吸收速率受激吸收速率)()(12efefvc 粒子数反转：粒子数反转：gfvfceh

17、ee 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布产生激光的必要条件之一：粒子数反转分布产生激光的必要条件之一：粒子数反转分布p区区n区区扩散运动扩散运动载流子载流子从从浓度浓度大大向浓度向浓度小小的区域的区域扩散扩散,称称扩散运动扩散运动形成的电流成为形成的电流成为扩散电流扩散电流内电场内电场内电场内电场阻碍多子阻碍多子向对方的向对方的扩散扩散即即阻碍扩散运动阻碍扩散运动同时同时促进少子促进少子向对方向对方漂移漂移即即促进了漂移运动促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到达到动态平衡动态平衡扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散，多子从浓度大

18、向浓度小的区域扩散，扩散运动产生扩散电流。扩散运动产生扩散电流。漂移运动漂移运动少子向对方漂移，少子向对方漂移，漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡 扩散电流扩散电流=漂移电流，漂移电流，pn结内总电流结内总电流=0。pn 结结稳定稳定的空间电荷区，的空间电荷区，又称又称高阻区，高阻区，也称也称耗尽层。耗尽层。 vd 内电场的建立，形成接触电势内电场的建立，形成接触电势差差vd，称为接触势垒，称为接触势垒 接触电位接触电位vd决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅： vd=0.7锗：锗： vd=0.2eeevpfnfd 如果两种材料的费米能级不同，就会在两种材料

19、如果两种材料的费米能级不同，就会在两种材料的分界面上发生电荷的扩散而产生接触电势差，这种扩的分界面上发生电荷的扩散而产生接触电势差，这种扩散运动使两种材料的费米能级逐渐趋于一致，建立起新散运动使两种材料的费米能级逐渐趋于一致，建立起新的热平衡态，的热平衡态，达到平衡时，形成新的统一的费米能级达到平衡时，形成新的统一的费米能级。o 同质结：同质结：n组成组成p-n结的结的p型半导体和型半导体和n型半导体的基质材料相同型半导体的基质材料相同o 异质结：异质结：n组成组成p-n结的结的p型半导体和型半导体和n型半导体的基质材料不同型半导体的基质材料不同o 同型异质结：同型异质结：n由具有相同掺杂类型

20、的不同半导体材料构成由具有相同掺杂类型的不同半导体材料构成o 异型异质结：异型异质结：n由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构成由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构成同型异质结同型异质结异型异质结异型异质结同质结与异质结同质结与异质结同质结中同质结中p区和区和n区区具有大致相等的禁带具有大致相等的禁带宽度宽度半导体双异质结半导体双异质结 (double hetero structure)v 由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙层材料组成层材料组成v 通常包含一个同型异质结和异型异质结通常包含一个同型异质结和异型异质结双异质结双异质结v 同质结与双异质结

21、的能带特性比较同质结与双异质结的能带特性比较平衡状态下的能带图平衡状态下的能带图 加正向偏置时能带图加正向偏置时能带图辐射复合主要发生在辐射复合主要发生在窄带隙层，有源层。窄带隙层，有源层。同质结同质结双异质结双异质结具有更高的载流子注入具有更高的载流子注入效率和光场限制作用，效率和光场限制作用，因此具有更高的出光效因此具有更高的出光效率，被广泛采用！率，被广泛采用！双异质结双异质结半导体异质结半导体异质结异质结的作用：异质结的作用：v 异质结对载流子的限制作用异质结对载流子的限制作用v 异质结对光场的限制作用异质结对光场的限制作用v 异质结的高注入比异质结的高注入比异质结对光场的限制作用异质

22、结对光场的限制作用双异质结构激光二极管的结构双异质结构激光二极管的结构量子阱结构量子阱结构单量子阱结构单量子阱结构现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为10nm。多量子阱结构多量子阱结构量子阱作为有源区的几点优势量子阱作为有源区的几点优势 v量子阱外带隙大，注入载流子被限制在量子阱外带隙大，注入载流子被限制在qw区域产生反转。区域产生反转。由于量子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了由于量子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了1000倍。倍。v载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂

23、物质掺杂到靠近结处。辐射复合的效率超过杂到靠近结处。辐射复合的效率超过90%，好的材料能达到，好的材料能达到接近接近100%。v低掺杂导致了很低的内部损失。因此低掺杂导致了很低的内部损失。因此qw结构使长腔激光器结构使长腔激光器有很高的外部效率。（增加腔长来减少热效应和串联电阻）有很高的外部效率。（增加腔长来减少热效应和串联电阻）v量子阱厚度为量子阱厚度为10nm。这样的薄层允许材料的晶格常数。这样的薄层允许材料的晶格常数gaas有一些失配。有一些失配。v将将ga的一部分换成的一部分换成in，波长将会达到，波长将会达到1100nm。引入的张力进。引入的张力进一步提高了态密度的分布，阈值电流密度

24、大概为一步提高了态密度的分布，阈值电流密度大概为200a/cm2。将将as换成换成p，波长范围可扩展到，波长范围可扩展到730nm。 几种波长激光二极管的材料组份几种波长激光二极管的材料组份处于反转状态，受激辐射处于反转状态，受激辐射可大于受激吸收！可大于受激吸收！o 通过在通过在p-n结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！o 正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部分在耗尽区复合，复合速率分在耗尽区复合，复合速率产生速率，产生速率，可形成光增益！可形成光增益！电电致发光致

25、发光o 反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但在外加光场作用下在外加光场作用下可形成较强光电流！可形成较强光电流！光电效应光电效应pn结的偏置结的偏置pnpn结光电效应结光电效应lightpn结光电效应结光电效应 当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在pn结的耗尽结的耗尽区、区、p区和区和n区都将产生光生的电子区都将产生光生的电子-空穴对。空穴对。 在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅速移向速移向n区，空穴迅速移向区，空穴迅速移向p

26、区，从而在回路中产生光区，从而在回路中产生光电流。电流。 在在p区和区和n区产生的光生载流子由于没有内电场的作用，区产生的光生载流子由于没有内电场的作用，只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的贡献很小。贡献很小。 为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的半导体的半导体的pn结上加有适当的反向偏压。结上加有适当的反向偏压。pnpn结光电效应结光电效应pn结电致发光结电致发光在在pn结两端外加正向偏压结两端外加正向偏压结势垒降低为结势垒降低为vd-v打破原来建立的平衡打破原来建立的平衡使得

27、使得p区和区和n区的费米能区的费米能级重发生分离，形成准级重发生分离，形成准费米能级费米能级eveepfnf外电场外电场耗尽区内注入电子、空穴耗尽区内注入电子、空穴辐射复合辐射复合发光发光pn结电致发光结电致发光当外加电压满足当外加电压满足gpfnfeeeev注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体中产生率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体中产生光增益。光增益。发光二极管和激光器发光二极管和激光器第二章第二章 半导体激光器件半导体激光器件p半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理p半导体

28、激光器的特性半导体激光器的特性（一）半导体激光器的工作原理（一）半导体激光器的工作原理一、半导体注入型激光器的工作原理一、半导体注入型激光器的工作原理1、半导体内电子辐射跃迁的主要特点、半导体内电子辐射跃迁的主要特点电子发生辐射跃迁需要具备几个基本的条件电子发生辐射跃迁需要具备几个基本的条件:p 电子在能带间的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条件。电子在能带间的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条件。辐射跃迁的动量选择定则使得在间接带隙材料中导带底和价辐射跃迁的动量选择定则使得在间接带隙材料中导带底和价带顶之间的辐射跃迁必须有声子的参与才能进行，这一要求带顶之间的辐射跃迁必须有声子的参与才能

29、进行，这一要求极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率。极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率。p 发生辐射跃迁的始态之间，始态上必须存在电子，同时相发生辐射跃迁的始态之间，始态上必须存在电子，同时相应的末态上必须存在空穴。应的末态上必须存在空穴。这一条件对受激吸收基本上没这一条件对受激吸收基本上没有影响，而对自发辐射和受激辐射则是至关重要的。有影响，而对自发辐射和受激辐射则是至关重要的。p 导带和价带内导带和价带内很高的电子和空穴态密度很高的电子和空穴态密度使得使得半导体能带中可以半导体能带中可以容纳很高浓度的电子和空穴容纳很高浓度的电子和空穴，从而获得很大的自发辐射和受激，从而获得很大的

30、自发辐射和受激辐射几率，并提供较强的光增益作用。辐射几率，并提供较强的光增益作用。p 处于同一能带内不同能量状态上的载流子几乎可以随时维持其处于同一能带内不同能量状态上的载流子几乎可以随时维持其能带内的局部平衡状态。能带内的局部平衡状态。p 半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移。半导。半导体材料的这种特性使得可以通过简单的直接电流注入对半导体体材料的这种特性使得可以通过简单的直接电流注入对半导体激光器进行泵浦，产生非平衡载流子，并使材料处于粒子数反激光器进行泵浦，产生非平衡载流子，并使材料处于粒子数反转分布状态。转分布状态。p 半导体

31、内原子之间以及注入载流子之间的相互作用放宽了电子半导体内原子之间以及注入载流子之间的相互作用放宽了电子发生带间辐射跃迁的选择定则发生带间辐射跃迁的选择定则。使得辐射跃迁可以发生在导带。使得辐射跃迁可以发生在导带内的大量电子和价带内的大量空穴之间。内的大量电子和价带内的大量空穴之间。2. 2. 与普通二能级系统的区别：与普通二能级系统的区别：二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件o 最简单的半导体激光器的结构最简单的半导体激光器的结构n 一个薄有源层（厚度约一个薄有源层（厚度约0.1m）+ p型型n型限制层型限制层n 属于宽面激光器属于宽面激光器o

32、注入型激光器，注入型激光器，injection laser解理解理面面金 属 接金 属 接触触电流电流有源有源层层p型型n型型300m100m200m半导体激光器的结构半导体激光器的结构 宽面激光器存在宽面激光器存在侧向辐射和光限制问题。实际的激光侧向辐射和光限制问题。实际的激光器采用了器采用了增益导引型增益导引型和和折射率导引型折射率导引型结构。结构。a) a) 增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器 解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，称为限制在一个窄条里，称为条形半导体激光器条形半导体激光器，其结构，其结构如图所示。将一

33、绝缘层介质如图所示。将一绝缘层介质(sio2)淀积在淀积在p层上，中层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体增益导引型半导体激光器激光器。 p-inpingaaspn-inpn+-inp衬底衬底p-ingaasp绝缘介质绝缘介质增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器 通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激

34、光器称为器称为折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器。p-inpingaasp有源层有源层n-inpn+-inp衬底衬底接点接点sio2sio2b） 折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器ld产生激光输出的三个基本条件：产生激光输出的三个基本条件：v 泵浦源：泵浦源：电流注入实现电流注入实现v 光反馈：光反馈：解理面构成谐振腔解理面构成谐振腔v 谐振腔是在垂直于谐振腔是在垂直于p-n结的两个端面上，按晶体的结的两个端面上，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面构成的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面构成的v 解理：晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破解理：晶体

35、在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质称为解理，这些平裂，并且能裂出光滑平面的性质称为解理，这些平面称为解理面。面称为解理面。v 增益介质：增益介质：p-n结区结区阈值条件：阈值条件：v 光增益大于光损耗光增益大于光损耗产生激光的机理产生激光的机理 半导体激光器的核心是半导体激光器的核心是pn结，它与一般的半导体结，它与一般的半导体pn结的结的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即p型半导体中的型半导体中的空穴极多，空穴极多，n型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器p-n结中的自建场很强，结

36、两边产生的电位差结中的自建场很强，结两边产生的电位差vd（势垒）很（势垒）很大。大。无外加电场时：无外加电场时：p区的能级比区的能级比n区高区高evd，并且，并且导带底能级比价带顶能级还要导带底能级比价带顶能级还要低，电子占据的可能性越大低，电子占据的可能性越大无外加电场无外加电场有外加电场有外加电场 当外加正向电压时，当外加正向电压时，p-n结势垒降低。在电压较高、电结势垒降低。在电压较高、电流足够大时，流足够大时，p区空穴和区空穴和n区电子大量扩散并向结区注入，区电子大量扩散并向结区注入，并在并在p-n结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成粒子数结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成粒子数

37、反转。反转。激活区或有激活区或有源层源层 ld的工作原理的工作原理a.向半导体向半导体p-n结注入电流，实现粒子结注入电流，实现粒子数反转分布，数反转分布， p-n结即为激活区。结即为激活区。b.电子空穴对复合发光，初始的光场电子空穴对复合发光，初始的光场来源于自发辐射。来源于自发辐射。c.自发辐射光子进而引起受激辐射。自发辐射光子进而引起受激辐射。d.受激辐射光子通过反射镜往返反射，受激辐射光子通过反射镜往返反射，使受激辐射过程加剧，光得到放大。使受激辐射过程加剧，光得到放大。e.在反射系数小于在反射系数小于1的反射镜中输出而的反射镜中输出而产生激光产生激光 只有外加足够强的正电压，注入足够

38、大的电流，只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光：否则，只能产生荧光。才能产生激光：否则，只能产生荧光。 曲线的转折点对应于阈值电曲线的转折点对应于阈值电流，是自发辐射和激光产生的分流，是自发辐射和激光产生的分界点，也是从发光二极管状态到界点，也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点。一旦激光二极管工作的过渡点。一旦激光开始，曲线斜率就变陡。激光开始，曲线斜率就变陡。发光二极管产生的光功率峰值发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级；最多是数百毫瓦量级；激光二极管产生的光功率峰值激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦，国外可达千国内可达数百瓦，国外可达千瓦以上。瓦以上

39、。（二）（二） 半导体激光器的特性半导体激光器的特性一、伏安特性一、伏安特性 激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导电性，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值电性，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。二、阈值电流二、阈值电流 使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入电流密度叫阈值电流密度。电流密度叫阈值电流密度。影响阈值的因素：影响阈值的因素：p晶体的掺杂浓度越大，阈值越小；晶体的掺杂浓度越

40、大，阈值越小；p谐振腔的损耗越小，阈值越小。谐振腔的损耗越小，阈值越小。p在一定范围内，腔长越长，阈值越低；在一定范围内，腔长越长，阈值越低； p温度对阈值电流的影响很大，因此，半温度对阈值电流的影响很大，因此，半导体激光器宜在低温或室温下工作。导体激光器宜在低温或室温下工作。三、方向性三、方向性 由于半导体激光器的谐振腔由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别短小，激光方向性较差，特别是在是在pn结的结的垂直平面内垂直平面内，发，发散角很大，可达散角很大，可达200 300，在，在pn结的结的水平面水平面内，发散角约内，发散角约为为几度。几度。lp/l- pn结水平方向的尺寸结水平

41、方向的尺寸dv/2d- 有源区的厚度有源区的厚度 激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用激光束的空间分布用近场近场和和远场远场来描述。来描述。 近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图图3.83.8是是gaalas-dhgaalas-dh激光器的近场图和远场图，近场和远场激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔是由谐振腔( (有源区有源区) )的横向尺寸，即平行于的横向尺寸，即平行于pnpn结平面的宽度结平面的宽度w w和垂和垂直于结平面的厚度直于结平

42、面的厚度t t所决定，并称为激光器的所决定，并称为激光器的横模横模。 由图由图3.83.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w w由宽变窄，由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t t很很薄，这个方向的场图总是薄，这个方向的场图总是单横模单横模。 图图 3.8 gaalas-dh3.8 gaalas-dh条形激光器的近场和远场图样条形激光器的近场和远场图样 w 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 场 图 样0.1rad远 场 图 样远场特性远场特性v 随有源

43、区厚度及折射率差随有源区厚度及折射率差的减小而减小。的减小而减小。v 随有源区宽度的减小而随有源区宽度的减小而增大。增大。v 减小有源区的宽度，可以使减小有源区的宽度，可以使远场更趋向于圆形光斑。远场更趋向于圆形光斑。v 减小有源区宽度可以使高阶减小有源区宽度可以使高阶模截止。模截止。 3.9 3.9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) (a) 光强的角分布；光强的角分布； (b) (b) 辐射光束辐射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080t 300 k辐 射 角 (度 )相 对 光 强(a)(b) 图图3.

44、93.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。横截面呈椭圆形。四、光谱特性四、光谱特性荧光谱荧光谱激光谱激光谱几十几十nm几几nm发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的半导体激光器的发射波长发射波长等于等于禁带宽度禁带宽度e eg g(ev)(ev) h hf = =e eg gggeehc24. 1 不同半导体材料有不同的不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度eg，因而有不同的，因而有不同的发射波长发射波长。 镓铝砷镓

45、铝砷-镓砷镓砷(gaalas-gaas)材料适用于材料适用于0.85 m波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷 - 铟磷铟磷(ingaasp-inp)材料适用于材料适用于1.3-1.55 m波段波段式中，式中，f=c/，f (hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为光速，为光速，h=6.62810-34js为普朗克常数，为普朗克常数， 1ev=1.610-19 j，代入上式得到，代入上式得到 在直流驱动下在直流驱动下， 发射光波长发射光波长只有符合激光振荡的只有符合激光振荡的相位条件相位条件的的波长存在。这些波长取决于波长存在。这些波长取决于激光器纵向长

46、度激光器纵向长度l l，并称为激光器的，并称为激光器的纵纵模模。 驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和和方向方向的选择，使的选择，使边模消边模消失失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。 当驱动电流足够大时，当驱动电流足够大时，多纵模多纵模变为变为单纵模单纵模，这种激光器称为，这种激光器称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。 图图3.7(b)3.7(b)是是300 mb/s300 mb/s数字调制的光谱特性。由图可见，随着数字调制的光谱特性。由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。 图图 3.7 gaalas-dh3.7 gaalas-dh激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a) (a) 直流驱动直流驱动; (b) 3